专利名称：双反射太阳聚光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳聚光器和太阳能收集器系统。更具体地说，本发明涉及一种线性太阳聚光器，该聚光器利用一部分抛物面弧作为第一反射表面，并利用一个平面的第二反射表面以一种基本上线性的方式将太阳能聚集在第一反射表面的一个预定部分上。
相关技术描述太阳聚光器通过从一个大的面积收集太阳光并将太阳光聚集在一个较小面积上而工作。有多种可以区别的技术用于将太阳能转换成可以利用的形式，但太阳能是否以相当大的规模收集和转换，要受到经济状况的控制。如果安装和维持一个太阳能收集系统的费用低于另一个系统，那么广泛使用该太阳能收集系统是可能的。太阳能收集系统的大部分费用属于初期投资。因此，在使用太阳能系统时该系统必须开始偿还投资。
目前，存在多种大型的线性太阳聚光器。
图1表示一种示范的先有技术线性聚光器。该图示的聚光器是由欧洲联盟补贴的EUCLIDES计划的产物。双抛物面槽部分将光束辐照投掷在一排沿双抛物面槽部分的焦线线性安置的太阳电池上。该先有技术类型的线性聚光器的缺点涉及聚光器的尺寸和形状及焦线的位置。此种聚光器的几何构型要求线性槽必须在地面上高高“突出”，以便将太阳能聚焦在该槽的焦线上。该抛物面成为一个大的“帆”，并由于遭受强风的强度而需要相当大的支架。该聚光器的单一抛物面形状不是可以容易地加固的，并且容易从其所需的抛物面形状扭转或弯曲，使得反射的太阳能达不到规定的太阳电池线性密集体上。
此外，太阳能收集器的焦线位置需要有其自身的分开的支承结构，以使太阳电池保持在与每个抛物面太阳聚光器有关的焦线上。
由于当线性抛物面槽追踪太阳时焦线的移动，太阳收集器的冷却是一件困难的任务。当图示的线性抛物面槽收集器在一根平行于焦线的线上枢轴式转动时，该焦线将沿一个限定的弧移动。这样一种状况需要连接在太阳能收集器面积上的可以弯曲的管道件。当太阳能聚集在太阳能收集器装置上时，该可以弯曲的管道携带冷却剂(如水)来冷却太阳能收集器装置。可以弯曲的管道当其用于室外条件时易于破裂、变坏和泄漏。因此，先有技术太阳聚光器/收集器系统的一项主要修理费用是修理和维护用于冷却太阳聚光器的收集器面积的相关的可以弯曲的管道。
一种太阳聚光器构型需要的是制造费用相对较低、其结构比一种简单的线性抛物面槽更坚固、基本上在线性聚光器的焦线上枢轴式转动以有效地避免使用可以弯曲的冷却管道，以及其外形轮廓靠近地面，使得太阳聚光器结构不太会遭受高空风力的破坏。
本发明的示范性实施例提供一种包括一个第一抛物形表面和一个第二平表面的双反射太阳聚光器。入射光反射离开第一抛物形表面射向抛物形表面的天然焦线。在到达天然焦线之前，入射光反射离开第二平表面而射向一条基本上位于第一抛物形表面上的第二焦线。光路形成于接收器上的一个较窄的视野中，这能改善一些接收器装置的费用。第一反射器也起重新引导稍许散焦的太阳光返回该接收器的作用，这降低了系统的瞄准精度的要求。其次，这种聚焦技术使太阳聚焦器能够通过基本上在示范的双反射槽的焦线上枢轴式地转动而追踪太阳。一个冷却系统可以冷却安置在焦线上的太阳能收集器。因为焦线基本上是静止的，所以基本上免去了用于冷却焦线周围面积的可以弯曲的管道。
此外，本发明的示范的太阳聚光器的结构包括一个接近地面的外形轮廓，因而限制了风力影响。这样一种低的外形轮廓设计不需要先有技术中的“结实的”结构支架。
图1是先有技术的抛物面槽太阳聚光器；图2是一般的抛物线及其焦点；图3表示一段抛物线；图4表示带有光反射离开抛物形表面的一个示范的抛物线部分；图5表示一个示范的双反射抛物形太阳聚光器的示范的侧视图；图6表示图5的更精确的视图；图7表示包括一个第二抛物形表面的双反射太阳聚光器的另一个示范性实施例；图8表示一个带有第二抛物形表面的示范的双反射太阳聚光器和进一步表示光如何通过该第二抛物形表面反射；图9表示带有一个掠射聚光器的另一种示范的双反射太阳聚光器；图10表示示范的双反射太阳聚光器的示范的“开放的”和“闭合的”构型；图11表示将聚光器的焦线安置在抛物形区段的底部附近的各种示范的双反射太阳聚光器；以及图12表示一个安装在支架结构上的示范的双反射太阳聚光器的三维视图。
本发明优选示范实施例详述这些示范的实施例提供一种双反射太阳聚光器，该聚光器具有有用的光学和结构性能，从而具有低的结构费用、安装费用和操作费用。
这些示范性的聚光器在几何结构上包括一个预定的抛物面镜部分。一个第二反射表面使光能够被聚焦在该抛物面镜的表面的预定部分上并沿着该预定部分聚焦。
图2表示一个常规的一般的抛物线形状10和焦点12。一个抛物线是一个平面中与该平面中的一个焦点和一根直线等距离的一组点(该直线有时称为准线)。本发明的示范性实施例利用抛物线弧10的一部分。可以理解，实际上任何抛物线弧(抛物线方程)都可用于本发明。图3表示一段抛物线弧30及其焦点12。图4表示撞击在该段抛物线弧30的表面上并离开反射面(未特别示出)而反射到抛物线弧段30的焦点12上的入射光40。
图5和6表示本双反射太阳聚光器5 0的第一实施例。一个第一反射表面52包括一个抛物形曲线30的预定部分。一个第二反射表面54垂直于一根与该抛物形曲线有关的准线。该示范的抛物形曲线规范化为焦点12位于X＝0和Y＝2，而第二反射表面位于X＝2。
入射光40反射离开第一表面52并射向焦点12。在到达焦点12之前，入射光反射离开第二焦面54而聚焦在第二焦点56上。第二反射表面54最好位于第一反射表面52的抛物形曲线上。在示范性实施例中，第一和第二焦点12、56都位于相同的Y坐标位置。
通过将第二表面54安置在第一反射表面52(该抛物形曲线)和焦点之间，第二表面54将把该焦点移至一个在其前面而距离与在其后面的焦点12的距离相等的点。因此，如果第二表面54放在一个等于焦点12高度的Y位置的X位置上，那么该焦点将被移到一个位于该抛物形曲线和第一反射表面52上的第二焦点56处。图5表示第二焦点56位于直接在焦点12右边的第一表面上。聚焦在第二焦点56上的入射光40必须垂直于该抛物形曲线的准线。
理解了图6代表一个示范的槽式双反射太阳聚光器50的一个“规范化的”横截面，就可以容易地看出，第二焦点56实质上是一条其长度延伸到该示范性双反射聚光器的长度的焦线。可以将光电(PV)电池沿焦线直线地安置，以收集太阳能。
图7表示本发明的另一示范性实施例。图7表示一个具有两个抛物形表面70的双反射太阳聚光镜。该实施例提供一个其外形轮廓比第一示范性实施例更紧凑的太阳聚光器。一个第二抛物面反射器72置于第一反射表面52和第二反射表面54之间。第二抛物面反射器72有一个与第二焦点56符合的焦点。第二抛物面反射器72使得可以除去角落74，从而降低了双反射抛物面聚光器70的总高度。图8表示第二抛物面反射器72的优选位置。理想的是，第二抛物面反射器72的位置不会干扰入射光40从第一表面52反射到第二表面54。换句话说，第二抛物形表面72的优选位置使得入射在第一表面52上的光向第二表面54反射时不会受第二抛物形表面72的遮挡或反射。
再一次，示范性实施例70规范化为抛物形曲线的初始焦点位于X＝0，Y＝2。该技术的专业人员可以对各种抛物形曲线测定和计算第二反面表面54和第二抛物面反射器72的位置。
图9表示本发明的另一个示范性实施例90，该实施例包括一个位于第二焦点56附近的掠射聚光器92。一个接收表面94可以安置在第二焦点56处，以收集在该处聚焦的太阳能。
掠射聚光器92基本上是平面的，并处在一个足够陡的角度，以便将入射光反射到接收表面(太阳电池)94上。该掠射聚光器利用一个附加表面92和初始的第一反射器52，使稍许离开焦点的入射光40能够反射回到第二焦点(线)56。这一特点允许太阳聚光器有一个容许偏差要求较低的瞄准系统。这样，本发明的该示范性实施例可以不需要较贵而较精密的太阳聚光器瞄准系统。其次，该实施例90可以能够在部分有雾或少许有云的日子更好地收集扩散的或杂散的光。掠射聚光器92有助于接收器、收集器或PV94收集稍许偏离焦点的光线。
本双反射太阳聚光器的其它实施例可以用来将第二焦点移至第一抛物形表面上或其附近的其它位置上。图1表示本发明的两个实施例，其中该第二反射表面并不垂直于抛物形表面的准线或平行于Y轴。第二反射表面102a、102b距离焦点12的间距也可以变化。非平行的(倾斜的)和移动的第二反射表面102a、102b的组合将第二焦点56a、56b移动到可以比初始的第二焦点56更有用的其它位置。倾斜第二反射表面102a可能导致第一表面的一部分104被表面102a荫蔽。而导致形成的示范性太阳聚光器效率降低。
图11表示本双反射太阳聚光器110的一个示范性实施例，其中第二焦点112位于太阳聚光器110的底部。这里入射光40首先反射离开第一反射表面62而射向第二表面114。第二表面114通过一个支承表面或支柱116保持在位置上。表面114的位置不会由于干扰入射光40而在第一表面52上投掷一点阴影。第二表面114将入射光反射到位于太阳聚光器槽110底部的第二焦点112。
图12表示按照本发明的一个示范的太阳聚光器120。入射光40反射离开第一反射表面122而射向第二反射表面124，然后射向位于该示范的双反射太阳聚光器120的焦线(也是126)处的一个太阳能收集器126。该太阳能收集器126可以是一个光伏电池或其它太阳能收集装置。一个冷却系统可以沿焦线126或在其附近安装。该冷却系统可以是一个充满液体的管子，该管子承载一种冷却液，如水、丙二醇、防冻液或任何其它可以接受的液体。
一个支承结构支承该示范的太阳聚光器并使其瞄准太阳，使得入射光线40基本上垂直于抛物形表面122的准线。优选的支承结构基本上围绕焦线126转动太阳聚光器120。一个螺旋千斤顶、凸轮或液压系统130可以升降该示范的太阳聚光器，使其基本上围绕焦线126转动，其中该聚光器可以转动地受支承件132支承。
因为该太阳聚光镜基本上围绕聚光镜的焦线转动，所以冷却系统不需要可以弯曲的管道。其次，收集器(PV)126可以直接安装在支承结构上该示范的太阳聚光镜120的焦线处。
本示范性实施例的一些优点是，该聚光器的槽形具有比平滑的抛物面更大的扭转刚性。可以在结构中加入肋板或其它增强件以进一步增加结构的刚性。可以在该示范的太阳聚光器的顶部安置一个透明的罩136，以增加设备的刚性和进一步保持反射表面的洁净。当与先有技术的线性太阳聚光器相比时，该由此产生的示范的双反射太阳聚光器的总高度相当低。
为了制造一个示范的双反射太阳聚光器，该第一抛物形表面可以是滚轧的或模锻的。该第二反射表面是平面的，可以用第一表面的整张金属板在下角处折叠而形成。
固定的接收器和管道进一步节省制造和操作费用。当太阳在一天或一年中改变位置时，该示范的太阳聚光器也必然移动，因而太阳光线始终以同一角度入射到聚光器上。该示范的太阳聚光器基本上围绕聚光器的焦线而转动。该焦线可以刚巧离开该转动轴。这样，太阳能收集器(PV)可以固定在沿焦线的第一反射表面上或在该表面附近。其次，冷却太阳能收集器的管道可以经过或靠近太阳能收集器的固定的转动轴，从而不需要可以弯曲的管道。
虽然已经显示和描述了本双反射太阳聚光器的各个优选实施例，但该技术的专业人员可以理解，这些实施例可以进行变化而并不偏离其范围界定于附属的权利要求书中的本发明的原理和精神实质。
权利要求
1.一种太阳聚光器，包括一个基本上用一第一反射表面覆盖的抛物形表面，所述抛物形表面有一属于抛物形曲线一部分的横截面，并有一根与所述抛物形曲线的焦点符合而平行于所述抛物形表面的长度的焦线；一个基本上用一第二反射表面覆盖的平表面，所述平表面安置在所述焦线和所述抛物形表面之间，使得入射在所述第一反射表面上的光被反射到所述第二反射表面上，然后聚焦在一根基本上在所述抛物形表面上的第二焦线上。
2.权利要求1的太阳聚光器，其特征在于，所述抛物形曲线的所述部分包括该曲线的在顶点与该曲线和垂直于该轴线并通过焦点的直线的交点之间的一个部分。
3.权利要求2的太阳聚光器，其特征在于，所述平表面安置在所述焦线和所述第二焦线之间的基本上相等距离处。
4.权利要求1的太阳聚光器，其特征在于，所述平表面的位置垂直于与所述抛物形曲线相关的一根准线。
5.权利要求1的太阳聚光器，其特征在于，还包括一个用于支承所述太阳聚光器的支承系统，所述支承系统连接在所述太阳聚光器上，使得所述太阳聚光器可以基本上围绕所述抛物形表面的所述焦线而转动。
6.权利要求1的太阳聚光器，其特征在于，还包括一个用于使所述太阳聚光器围绕一根轴线转动的支承系统，所述轴线平行于和基本上靠近所述第二焦线。
7.权利要求1的太阳聚光器，其特征在于，还包括一个安置成平行于和基本上靠近所述第二焦线的掠射(grazing)聚光器，所述掠射聚光器用于将稍许偏离焦点的光反射到所述第二焦线上。
8.权利要求1的太阳聚光器，其特征在于，还包括一个安置在所述抛物形曲线和所述平表面之间的第二抛物形表面，所述第二抛物形表面有一个基本上位于所述第二焦线上的焦点。
9.权利要求1的太阳聚光器，其特征在于，一个太阳能接收器基本上安置在所述第二焦线上。
10.权利要求1的太阳聚光器，其特征在于，一个冷却系统基本上安置在所述第二焦线附近。
11.一种槽式双反射太阳聚光器，其特征在于，包括一个第一反射表面，所述第一反射表面是一个具有一相关焦线和一准线平面的抛物形表面的一部分；一个第二反射表面，所述第二反射表面是平面的，并安置在所述焦线和所述第一反射表面之间，使得反射离开所述第一反射表面而射向所述焦线的入射光被反射离开所述第二反射表面而射到基本上在所述抛物形表面上的一根第二焦线上。
12.权利要求11的槽式双反射太阳聚光器，其特征在于，所述第一反射表面和所述第二反射表面是连接的。
13.权利要求11的槽式(trough)双反射太阳聚光器，其特征在于，所述第二反射表面基本上垂直于所述准线平面。
14.权利要求11的槽式双反射太阳聚光器，其特征在于，所述第二反射表面安置成，使得一条在所述第二反射器的平表面上的线既平行于所述焦线，又与所述焦线和所述第二焦线等距离。
15.权利要求11的槽式双反射太阳聚光器，其特征在于，所述第二焦线基本上在所述抛物形表面上。
16.权利要求11的槽式双反射太阳聚光器，其特征在于，还包括一个安置在所述第二焦线上的太阳能收集器。
17.权利要求11的槽式双反射太阳聚光器，其特征在于，还包括一个支承结构，该支承结构使所述槽式双反射太阳聚光器能够围绕一根基本上靠近和平行于所述第二焦线的轴线转动。
18.权利要求11的槽式双反射太阳聚光器，其特征在于，还包括一个透明的罩，照射的光在接触所述第一反射表面之前可以通过该透明的罩。
全文摘要
一种双反射太阳聚光器，该聚光器利用一个第一抛物形反射表面将入射光反射到一个第二表面上。入射光反射离开该第二表面并远离第一抛物形表面的天然焦点而射向一个安置在第一抛物形反射表面上或基本上靠近该第一反射表面的第二焦点。
文档编号F24J2/10GK1430716SQ01810003
公开日2003年7月16日 申请日期2001年5月15日 优先权日2000年5月24日
发明者斯科特·弗雷泽 申请人:斯科特·弗雷泽